Fuori dalla bolla!

Jonas Enander nel libro “Affrontare l’infinito”, riporta un dialogo con Sheila Deyer (1), fisica specializzata in rivelatori di onde gravitazionali, la quale afferma:

"... se avessimo rivelatori dieci volte più precisi degli attuali, potremmo osservare tutte le fusioni tra buchi neri non supermassicci, riuscire a vedere tutti i buchi neri che si sono scontrati nella storia dell’Universo risalendo sino alla dark age quando ancora non esistevano le stelle ...”.

Si tratta di una frase molto suggestiva, ma cosa significa esattamente?

Dal settembre 2015, quando venne rilevata la prima onda gravitazionale prodotta dalla fusione di due buchi neri, l'astronomia gravitazionale è passata dall'essere una previsione teorica della Relatività Generale ad una vera disciplina osservativa.

Gli interferometri terrestri attualmente operativi - i due LIGO negli Stati Uniti, Virgo in Italia e KAGRA in Giappone - hanno registrato centinaia di eventi gravitazionali comprendenti fusioni di buchi neri, fusioni di stelle di neutroni e sistemi misti.

Grazie a queste osservazioni abbiamo scoperto che i buchi neri stellari sono molto più numerosi e presentano una varietà di masse assai maggiore di quanto si immaginasse prima del 2015.

Sappiamo tuttavia che quanto osservato finora rappresenta soltanto una piccola frazione degli eventi realmente avvenuti nell'Universo.

I futuri aggiornamenti degli interferometri esistenti (2) - e soprattutto la realizzazione di nuovi osservatori come Einstein Telescope (ET) in Europa e Cosmic Explorer (CE) negli Stati Uniti dotati di una sensibilità circa dieci volte superiore a quella degli strumenti attuali - apriranno una finestra su fenomeni oggi completamente invisibili. (3)

Per comprendere la portata di questa rivoluzione occorre però chiarire cosa significhi davvero “vedere tutte le fusioni di buchi neri della storia dell'universo”; l'affermazione di Sheila Dwyer è sostanzialmente corretta come ordine di grandezza, ma richiede alcune precisazioni per evitare interpretazioni fuorvianti.

Innanzitutto la stessa ricercatrice esclude esplicitamente le fusioni che coinvolgono buchi neri supermassicci

Innanzitutto la stessa ricercatrice esclude esplicitamente le fusioni che coinvolgono buchi neri supermassicci: tali eventi generano infatti onde gravitazionali a frequenze troppo basse per essere osservate dagli interferometri terrestri, e richiederanno strumenti spaziali come il futuro osservatorio LISA. (4)

In secondo luogo bisogna ricordare che le onde gravitazionali (GW) si propagano alla velocità della luce ed attraversano la Terra una sola volta. (5)

Questo significa che tutti i segnali provenienti da fusioni il cui fronte d'onda è transitato nelle vicinanze del nostro pianeta prima dell'era LIGO-Virgo-KAGRA sono ormai irrimediabilmente perduti. (6)

Non esiste infatti alcun archivio cosmico dal quale recuperare onde gravitazionali già passate e per questa ragione l'affermazione della Dwyer va interpretata in senso statistico e prospettico.

Non significa che riusciremo a recuperare tutte le fusioni avvenute nel passato cosmico, significa piuttosto che un osservatorio sufficientemente sensibile potrebbe registrare praticamente ogni nuova fusione il cui segnale raggiungerà la Terra durante l'epoca dei rivelatori di terza generazione.

In altre parole, non si recupera il passato perduto ma si raggiunge una sensibilità tale da non lasciarsi sfuggire quasi nessun evento futuro.

Perché un miglioramento di appena un fattore dieci è così importante?

La ragione è che l'intensità delle onde gravitazionali diminuisce con la distanza dalla sorgente; se un osservatorio migliora la propria sensibilità di un fattore dieci, può osservare eventi circa dieci volte più lontani, e poiché il volume osservabile cresce come il cubo della distanza, il numero di eventi accessibili aumenta approssimativamente di un fattore mille.

Un miglioramento apparentemente modesto della sensibilità produce quindi un incremento enorme del numero di fusioni osservabili.

È questo il motivo per cui la comunità scientifica considera Einstein Telescope e Cosmic Explorer non semplici evoluzioni tecnologiche, ma una vera e propria nuova generazione di osservatori.

Resta però una domanda fondamentale: sarà possibile distinguere i singoli eventi dal fondo gravitazionale?

In parte no.

Esiste infatti un cosiddetto "background astrofisico di onde gravitazionali" prodotto dalla sovrapposizione di un numero enorme di segnali troppo deboli per essere identificati individualmente.

Tuttavia i futuri osservatori sono progettati proprio per operare in un regime in cui la maggior parte delle sorgenti potrà essere risolta singolarmente.

I modelli attuali suggeriscono che strumenti come l'Einstein Telescope ed il Cosmic Explorer potrebbero rilevare centinaia di migliaia o addirittura milioni di fusioni all'anno.

Una grande frazione di questi eventi verrebbe identificata individualmente, mentre il fondo residuo potrebbe essere ricostruito statisticamente e in parte sottratto numericamente, come già avviene in radioastronomia e cosmologia osservativa.

Il risultato sarebbe un gigantesco catalogo cosmico di fusioni.

Fino a quanto lontano nel tempo potremo spingerci?

Quando si afferma che i futuri osservatori potrebbero "risalire fino alla dark age" non si intende necessariamente osservare fusioni avvenute durante l'era oscura vera e propria.

L'era oscura cosmica precede infatti la formazione delle prime stelle e, nel quadro del modello cosmologico standard, non dovrebbero ancora esistere buchi neri di origine stellare.

L'espressione va interpretata nel senso che ET e CE potranno osservare fusioni provenienti da epoche estremamente remote, prossime alla nascita delle prime stelle e delle prime galassie. (7)

Alcuni studi suggeriscono che questi strumenti potrebbero rilevare eventi a redshift superiori a 20, corrispondenti a un Universo vecchio soltanto poche centinaia di milioni di anni.

Esiste però una possibile eccezione.

Se i cosiddetti buchi neri primordialii esistono davvero, potrebbero essersi formati nei primissimi istanti dopo il Big Bang a partire dal collasso gravitazionale di sovradensità presenti nell'universo primordiale, ed in tal caso potrebbero essersi verificate fusioni anche prima della formazione delle prime stelle.

Osservatori come Einstein Telescope e Cosmic Explorer potrebbero allora diventare strumenti capaci di sondare processi fisici molto più antichi, potenzialmente risalenti alle primissime epoche cosmiche. (8)

Ad oggi, tuttavia, non esistono prove osservative definitive della loro esistenza.

Obiettivo della prossima generazione di antenne gravitazionali non è quindi ricostruire integralmente il passato dell'Universo, ma costruire nel corso dei decenni, un immenso archivio di osservazioni capace di seguire l'evoluzione delle popolazioni di buchi neri dalle prime generazioni stellari fino all'epoca attuale.

Se queste aspettative verranno confermate, il XXI secolo potrebbe assistere alla nascita di una vera e propria archeologia gravitazionale del cosmo, capace di ricostruire la storia delle popolazioni di buchi neri con un livello di dettaglio oggi difficilmente immaginabile.

Il modo migliore per comprenderne la portata è forse ricordare ciò che accadde in astronomia ottica con il passaggio dai telescopi tradizionali a strumenti come Hubble e James Webb: non ci limitammo a vedere più lontano, passammo dallo studio di singoli oggetti all'analisi di intere popolazioni cosmiche.

Allo stesso modo, i rivelatori gravitazionali di terza generazione potrebbero trasformare le fusioni di buchi neri da eventi rari e spettacolari in una disciplina statistica di precisione: invece di poche centinaia di osservazioni, potremmo disporre di milioni di eventi individuali, sufficienti per ricostruire l'intera storia evolutiva dei buchi neri stellari lungo gran parte della storia cosmica.

In questo senso, i futuri osservatori potrebbero diventare così sensibili da registrare quasi ogni nuova fusione che avviene nell'Universo accessibile alle nostre osservazioni, trasformando le onde gravitazionali in uno dei più potenti strumenti di esplorazione cosmologica mai concepiti.

Note:

(1) Sheila E. Dwyer è una fisica sperimentale statunitense specializzata in rivelatori di onde gravitazionali, nota soprattutto per aver cofirmato nel 2014 uno studio pionieristico ("A Gravitational Wave Detector with Cosmological Reach") che propose interferometri terrestri con bracci di circa 40 km, un concetto che sarebbe poi confluito nel progetto Cosmic Explorer.

(2) Un importante contributo all'aumento della sensibilità degli attuali rivelatori gravitazionali è derivato dall'introduzione dello squeezing quantistico della luce, una tecnica che consente di ridurre parte del rumore quantistico intrinseco alla misura.

Anche nel vuoto la meccanica quantistica prevede l'esistenza di inevitabili fluttuazioni che limitano la precisione con cui gli interferometri possono misurare le minuscole deformazioni dello spazio-tempo prodotte dalle onde gravitazionali.

Lo squeezing consiste nel "comprimere" l'incertezza quantistica associata a una delle grandezze ottiche rilevanti per la misura, accettando un aumento dell'incertezza nella grandezza complementare, in accordo con il principio di indeterminazione di Heisenberg.

In questo modo è possibile ridurre il cosiddetto shot noise che domina alle frequenze più elevate e migliorare significativamente la sensibilità dell'interferometro.

La tecnica è stata introdotta operativamente nei rivelatori LIGO durante il terzo ciclo osservativo (O3), avviato nel 2019, mentre Virgo l'ha adottata poco dopo nell'ambito degli aggiornamenti che hanno portato ad Advanced Virgo+.

Pur comportando un miglioramento apparentemente modesto (tipicamente dell'ordine del 20-50% nella sensibilità), lo squeezing consente di aumentare notevolmente il volume di Universo accessibile alle osservazioni, permettendo di rilevare un numero molto maggiore di eventi.

Per i futuri osservatori di terza generazione, Einstein Telescope e Cosmic Explorer, lo squeezing non rappresenterà più un semplice miglioramento opzionale ma una componente essenziale del progetto.

Una parte significativa delle prestazioni previste per questi strumenti deriverà infatti non solo da bracci più lunghi o da una migliore schermatura dal rumore ambientale, ma anche dall'impiego di tecniche avanzate di controllo quantistico della luce.

È interessante notare che la prima storica rivelazione di onde gravitazionali, GW150914 del 14 settembre 2015, avvenne prima dell'introduzione operativa dello squeezing.

Lo stesso evento, osservato oggi, apparirebbe con un rapporto segnale/rumore significativamente migliore grazie anche a questa tecnologia.

(3) Nel lavoro menzionato in nota (1) Dwyer e collaboratori mostrarono come un miglioramento di circa un ordine di grandezza nella sensibilità rispetto ad Advanced LIGO potrebbe consentire l'osservazione di fusioni di buchi neri lungo gran parte della storia cosmica, fino a redshift molto elevati corrispondenti alle epoche in cui si formarono le prime generazioni di stelle.

In tale scenario l'astronomia gravitazionale cesserebbe di essere lo studio di eventi eccezionali osservati uno per volta e diventerebbe una vera e propria "cosmologia gravitazionale", una disciplina capace di ricostruire l'evoluzione delle popolazioni di buchi neri lungo gran parte della storia dell'Universo, dalle prime epoche di formazione stellare fino al presente.

(4) Mi scrive Pia Astone (collaborazione LIGO-Virgo): "... una volta che disporremo dei nuovi ET e CE non potremo comunque rilevare onde gravitazionali generate da buchi neri supermassicci, tipo quelli al centro delle galassie, in quanto tali segnali cadranno in un campo di frequenze per il quale servono interferometri montati su satelliti in orbita intorno al Sole a grande distanza dalla Terra, quali quelli previsti dal progetto LISA... "

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) è una missione guidata dall'ESA con una significativa partecipazione della NASA.

Sarà il primo rivelatore di onde gravitazionali nello spazio e rappresenterà, per l'astronomia gravitazionale, un salto paragonabile a quello che il telescopio spaziale Hubble ha rappresentato per l'astronomia ottica.

La missione, il cui lancio è attualmente previsto intorno al 2035, utilizzerà tre sonde disposte ai vertici di un triangolo equilatero.

La distanza tra ogni coppia di sonde sarà di circa 2,5 milioni di chilometri (oltre sei volte la distanza Terra-Luna); la luce laser impiegherà circa 8,3 secondi a percorrere un braccio e circa 16,7 secondi per completare un percorso di andata e ritorno.

Una lunghezza così enorme è necessaria per rendere osservabili onde gravitazionali a frequenze molto basse, impossibili da misurare sulla Terra a causa del rumore sismico e gravitazionale.

Tra gli obiettivi scientifici di LISA:

osservare fusioni tra buchi neri supermassicci (da circa 10⁴ a 10⁸ masse solari), che producono onde gravitazionali troppo lente per essere osservate dagli interferometri terrestri;
studiare i buchi neri di massa intermedia (tra circa 10² e 10⁵ masse solari), una delle principali incognite dell'astrofisica contemporanea;
osservare gli EMRI (Extreme Mass Ratio Inspirals), sistemi in cui una stella di neutroni o un piccolo buco nero orbita attorno a un buco nero supermassiccio compiendo migliaia di rivoluzioni prima della fusione;
cercare eventuali segnali gravitazionali provenienti dall'Universo primordiale, come quelli associati all'inflazione cosmica, a transizioni di fase dell'universo giovane o a reti di stringhe cosmiche.

Einstein Telescope (ET) è invece il principale progetto europeo di osservatorio gravitazionale di terza generazione.

A differenza degli attuali interferometri, sarà costruito in profondità nel sottosuolo per ridurre drasticamente il rumore sismico.

Originariamente previsto in una configurazione triangolare come LISA, probabilmente sarà invece costituito da due interferometri con la già sperimentata disposizione ad "L" dotati di bracci di circa 10 km di lunghezza (disposti a grande distanza l'uno dall'altro, forse il primo in Sardegna e l'altro in un'area del nord Europa).

Grazie a laser più potenti, specchi più avanzati e numerose innovazioni tecnologiche, ET dovrebbe raggiungere una sensibilità circa dieci volte superiore a quella degli osservatori attuali.

Cosmic Explorer (CE) rappresenta invece la risposta statunitense a ET.

In questo caso la riduzione del rumore viene perseguita soprattutto aumentando enormemente la scala dello strumento: i bracci potrebbero raggiungere circa 40 km di lunghezza contro i 4 km degli attuali interferometri LIGO.

La combinazione di ET e CE consentirebbe una copertura quasi globale del cielo gravitazionale, mentre LISA opererebbe in una banda di frequenze complementare a quella dei rivelatori terrestri.

I buchi neri più piccoli emettono onde gravitazionali a frequenze più elevate, mentre quelli più massicci le emettono a frequenze più basse.

Ogni osservatorio è quindi sensibile a una diversa fascia di masse:

LIGO-Virgo-KAGRA operano tipicamente tra circa 10 e 1000 Hz e sono particolarmente sensibili a fusioni di buchi neri comprese tra poche (circa 5) ed alcune centinaia di masse solari (M☉). L'onda gravitazionale generata da una fusione tra due buchi neri ciascuno di 30 M☉ viene rilevata perfettamente, salendo a 100 M☉ risulta ancora visibile, nel caso invece di buchi neri le cui masse si avvicinano a 1000 M☉ la frequenza è troppo bassa e diventa difficile da rilevare.
Einstein Telescope e Cosmic Explorer opereranno su frequenze molto più basse, tra circa 1–3 Hz fino a qualche kHz. Potranno osservare fusioni che coinvolgono stelle di neutroni (~1 M☉), buchi neri stellari (da ~ 5 a 100 M☉) e soprattutto buchi neri di massa intermedia fino a diverse migliaia o decine di migliaia di masse solari (che oggi sfuggono ai nostri rilevatori). Per i sistemi più favorevoli si stima una sensibilità fino a decine di migliaia di masse solari. La loro vera rivoluzione non sarà però tanto la massa massima osservabile quanto la distanza raggiungibile: sistemi di poche decine di masse solari potranno essere osservati fino alle epoche delle prime generazioni stellari.
LISA opererà invece tra circa 0,1 mHz e 0,1 Hz e sarà sensibile principalmente a sistemi compresi tra circa 10³ e 10⁸ masse solari, inclusi i buchi neri supermassicci presenti nei nuclei galattici. Fusioni tra buchi neri di migliaia sino a decine di milioni di masse solari saranno rilevate perfettamente, sino a raggiungere il limite superiore intorno ai 100 milioni di masse solari. LISA è infatti stata progettata soprattutto per studiare buchi neri supermassicci nei nuclei galattici; buchi neri di massa intermedia e sistemi estremi in cui un piccolo oggetto orbita attorno a un buco nero supermassiccio (EMRI).

Quando tutti questi strumenti saranno operativi disporremo di una sorta di "astronomia gravitazionale multibanda":

LIGO-Virgo-KAGRA da 5–300 M☉
ET/CE da 1–10.000+ M☉
LISA da 1.000–100.000.000 M☉

Particolarmente interessante sarà la regione dei buchi neri di massa intermedia (10²–10⁵ M☉), nella quale le capacità osservative di ET/CE e LISA si sovrapporranno parzialmente.

In alcuni casi (ad esempio una fusione tra due buchi neri da 30 M☉) lo stesso sistema binario potrà essere osservato prima da LISA, anni prima della fusione, e successivamente da ET o CE durante le fasi finali della spirale e della collisione.

Sarebbe la prima vera astronomia gravitazionale multibanda, analoga all'osservazione dello stesso oggetto astronomico in radio, infrarosso e luce visibile.

(5) Tale affermazione non è del tutto corretta. Se una fusione è avvenuta molto lontano e il suo segnale è già transitato sulla Terra prima dell'era LIGO-Virgo-KAGRA, quell'evento è effettivamente perso.

Esiste tuttavia la possibilità che la stessa onda gravitazionale ci raggiunga lungo percorsi diversi a causa di una forte lente gravitazionale.

n tal caso potrebbero esistere immagini multiple dello stesso evento che arrivano sulla Terra con ritardi di giorni, mesi o persino anni.

Si tratterebbe comunque dello stesso segnale "ritardato", non di una registrazione retroattiva del passato.

Per questa ragione la frase "vedremo quasi tutte le fusioni della storia dell'Universo" va interpretata come "vedremo quasi tutte le fusioni i cui segnali raggiungeranno la Terra durante l'era dei rivelatori di terza generazione".

(6) Gli eventi il cui segnale gravitazionale ha già attraversato la Terra sono perduti per sempre. Non esiste alcun archivio cosmico dal quale recuperare successivamente onde gravitazionali già passate.

Viaggiando alla velocità della luce, il fronte d'onda di una determinata fusione si allontana continuamente e diventa di fatto irraggiungibile una volta che abbia oltrepassato la Terra.

(7) Alcuni studi suggeriscono che Einstein Telescope e Cosmic Explorer potrebbero rilevare fusioni a redshift superiori a 20 (forse anche oltre), entrando nelle epoche in cui l'Universo aveva poche centinaia di milioni di anni.

(8) Mi scrive ancora Pia Astone: "... con ET e CE si potrebbero osservare eventuali coalescenze tra buchi neri primordiali, sempre che questi esistano, ossia sondare epoche precedenti alla formazione delle prime stelle e quindi, in un certo senso, andare oltre la dark age ..."

Fuori dalla bolla!

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giovedì 18 giugno 2026

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